JP6484376B1 - 電気化学装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[燃料電池装置]
図1〜図3に示すように、燃料電池装置1(電気化学装置の一例)は、台座Bと、マニホールド100と、突起部150と、複数の燃料電池セル200(電気化学セルの一例)と、第1接合材3とを備えている。突起部150は、台座B上に配置されている。マニホールド100は、突起部150上に配置されている。各燃料電池セル200は、マニホールド100によって支持されている。第1接合材3は、マニホールド100と、各燃料電池セル200とを接合する。
図1〜3に示すように、台座Bは、マニホールド100及び燃料電池セル200を下方から支持する。台座Bは、例えば、平板状であり、絶縁性材料で構成される。
図1〜図3に示すように、マニホールド100は、燃料電池セル200に反応ガスを供給する。マニホールド100は、中空状であり、内部空間を有している。図1に示すように、マニホールド100の内部空間には、導入配管101を介して燃料ガスなどのガスが供給される。図2に示すように、マニホールド100は、この内部空間と外部とを連通する複数の挿入孔131を有している。
複数の突起部150は、台座Bとマニホールド100との間に配置されている。複数の突起部150は、マニホールド100と接触している。詳細には、複数の突起部150は、底壁110の下面112と、台座Bの上面との間に配置されている。複数の突起部150は、台座B及び下面112に接触する。
本実施の形態の燃料電池セル200は、固体酸化物形燃料電池(SOFC:Solid Oxide Fuel Cell)である。図1〜図3に示すように、各燃料電池セル200は、マニホールド100から上方に延びている。詳細には、各燃料電池セル200は、マニホールド100の上壁130から上方に延びている。燃料電池セル200の下端部201は、マニホールド100の挿入孔131内に挿入されている。なお、燃料電池セル200の下端部201が挿入孔131内に挿入された状態において、燃料電池セル200の下端部201の外周面と挿入孔131の内壁面との間には隙間が形成されている。この隙間に第1接合材3が充填されている。
第1接合材3は、燃料電池セル200をマニホールド100に固定する。詳細には、第1接合材3は、燃料電池セル200の下端部201とマニホールド100の上壁130とを接合している。また、第1接合材3は、緻密膜222と接触している。なお、燃料電池セル200がマニホールド100に固定された状態において、挿入孔131とガス流路211とが連通している。
続いて、本実施の形態の燃料電池装置1の製造方法について図1〜図9を参照して説明する。
また、突起部150を準備する。この工程では、例えば、底壁110を構成する材料の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する材料で構成されている突起部150となる材料を準備する。
本実施の形態の燃料電池装置1の動作について、図1〜図7を参照して説明する。燃料電池装置1は、例えば以下のように動作する。
(1/2)O2+2e−→O2− ・・・(式1)
H2+O2−→H2O+2e− ・・・(式2)
さらに、支持基板210のガス流路211を流れる燃料ガスのうち発電に使用されなかった余剰燃料ガスは、ガス流路211の他端側に位置する排出口から外部に排出される。そして、排出口から排出される余剰燃料ガスと、酸素を含むガスとを混合して、燃焼する。
続いて、本実施の形態のマニホールド100及び燃料電池装置1の作用について、図13に示す比較例と比較して説明する。なお、図13に示す比較例の燃料電池装置9は、本実施の形態の突起部150を備えていない。
図10及び図11に示す実施の形態2の燃料電池装置7は、基本的には実施の形態1の燃料電池装置1と同様の構成を備えているが、図10及び図11に示すようにコーティング膜160をさらに備えている点において異なる。
図12に示す実施の形態3の燃料電池装置8は、基本的には実施の形態1の燃料電池装置1と同様の構成を備えているが、マニホールド108において側壁120及び上壁130が一体である点において異なる。実施の形態1のマニホールド100においては、側壁120の上面が開口し、その上面を上壁130が塞いでいる。実施の形態3のマニホールド108においては、側壁120の下面が開口し、その下面を底壁110が塞いでいる。
上述した実施の形態1〜3の燃料電池装置は、支持基板210の1つの主面上に複数の発電素子部220が配置された横縞型を例に挙げて説明したが、本発明の燃料電池装置は、支持基板の1つの主面上に1つの発電素子が配置される縦縞型であってもよい。また、本実施の形態の燃料電池装置1は、円筒平板型の燃料電池セルを備えているが、本発明の燃料電池装置は、円筒型または平板型の燃料電池セルを備えていてもよい。さらに、本発明は、燃料電池装置に限定されるものではなく、SOEC(Solid Oxide Electrolysis Cell:固体酸化物形電解セル)などの電気化学セルを備える電気化学装置に適用可能である。
また、導入配管101は、マニホールド100の側壁120に取り付けられているが、導入配管101の取り付け位置はこれに限定されない。例えば、導入配管101は、マニホールド100の上壁130に取り付けられていてもよい。また、導入配管101は、マニホールド100の底壁110に取り付けられていてもよい。この場合、台座Bは導入配管101と干渉しない形状にすればよい。
図14に示すように、マニホールド本体において、角部が他の部分よりも薄くなるように構成されていてもよい。詳細には、マニホールド本体は、複数の平板部と、この平板部を連結する角部とを有している。平板部は、平坦な板状の部分である。なお、角部は、角を形成する部分、すなわち、角近傍である。本変形例では、複数の平板部は、底壁110の大部分を占める矩形状の平板部と、第1側壁121及び第2側壁122の大部分を占める4つの矩形状の平板部と、第1フランジ部140の大部分を占める環状の平板部とを有している。角部は、第1〜第3境界部102〜104であるので、環状の隅角部を含む。このように、本実施の形態のマニホールド本体は、複数の平板部と、複数の角部とからなる。
図15に示すように、側壁120及び上壁130が一体であって、側壁120の下面が開口し、その下面を底壁110が塞いでいる構造の場合であっても、マニホールド本体において、角部が他の部分よりも薄くなるように構成されていてもよい。
また、本変形例では、第1側壁121及び第2側壁122は底壁110から略垂直に上方に延びているが、本発明のマニホールドは、これに限定されない。例えば、第1側壁121及び第2側壁122の少なくとも一方は、上方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。また、例えば、第1側壁121及び第2側壁122の少なくとも一方は、下方に向かって外方に広がるように傾斜していてもよい。
本発明のマニホールド100を構成する上壁130の材料は、金属材料に限定されない。例えば、上壁130の少なくとも一部は、無機材料で構成されてもよい。無機材料としては、酸化物材料が好ましい。上壁130は、単一の酸化物で構成されてもよいし、複数の酸化物で構成されてもよい。また、上壁130は、ガラス材料で構成されてもよい。
100,107,108:マニホールド
110 :底壁
150 :突起部
200 :燃料電池セル
B :台座
Claims (13)
- 台座と、
前記台座上に配置された複数の突起部と、
複数の前記突起部上に配置され、前記突起部と接触するマニホールドと、
前記マニホールドから反応ガスが供給される電気化学セルと、
を備え、
前記マニホールドは、
底壁と、
前記底壁から上方に延びる側壁と、
前記側壁の上端部を塞ぎ、かつ前記電気化学セルが接合される上壁と、
を含み、
前記突起部は、前記底壁を構成する材料と異なる材料で構成され、
前記突起部は、前記底壁と非接合である、電気化学装置。 - 前記底壁の下面の面積に対して、前記突起部と前記マニホールドとが接触する面積の比は、15%以下である、請求項1に記載の電気化学装置。
- 前記突起部は、無機材料で構成される、請求項1または2に記載の電気化学装置。
- 前記突起部は、前記底壁を構成する材料の熱伝導率よりも小さい熱伝導率を有する材料で構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電気化学装置。
- 前記突起部を構成する材料の熱伝導率は、40W/m・K以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気化学装置。
- 前記突起部は、鉱物またはセラミックスで構成される、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気化学装置。
- 前記突起部は、前記台座と接合されている、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学装置。
- 前記突起部は、前記台座と1つの部材で形成されている、請求項7に記載の電気化学装置。
- 前記台座と前記突起部とで構成される面の表面粗さRzは、0.01z以上である、請求項7または8に記載の電気化学装置。
- 前記突起部は、前記台座と非接合である、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気化学装置。
- 前記突起部の高さは、2.0μm以上10000μm以下である、請求項10に記載の電気化学装置。
- 前記マニホールドは、
上方または下方が開口する箱状のマニホールド本体と、
前記開口を塞ぐ板状部材と、
を含み、
前記マニホールド本体は、
複数の平板部と、
前記平板部を連結する角部と、
を有し、
前記角部の厚さは、前記平板部の厚さよりも小さい、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電気化学装置。 - 前記電気化学セルは、燃料電池セルである、請求項1〜12のいずれか1項に記載の電気化学装置。
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